DE112007001271T5

DE112007001271T5 - Servoregelvorrichtung

Info

Publication number: DE112007001271T5
Application number: DE112007001271T
Authority: DE
Inventors: Wennong Kitakyushu-shi ZHANG; Mitsujiro Kitakyushu-shi SAWAMURA; Yasuyuki Kitakyushu-shi Takei
Original assignee: Yaskawa Electric Corp; Yaskawa Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2009-04-23
Also published as: JP5120654B2; GB0821529D0; CN101454969B; US8120302B2; WO2007138758A1; CN101454969A; KR20090012339A; GB2451606A; US20090243533A1; TW200817854A; JPWO2007138758A1

Abstract

Servoregelungsvorrichtung zum Durchführen von Antriebsregelung eines Elektromotors und einer Lastmaschine auf Basis eines Drehmomentbefehls, wobei sie umfasst:
einen PI-Regelungsabschnitt zum Berechnen eines Grundsignals des Drehmomentbefehls auf Basis einer Abweichung zwischen einem Geschwindigkeitsbefehl und einer Rückführgeschwindigkeit;
eine Störungs-Überwachungseinrichtung zum Ausgeben des Drehmomentbefehls auf Basis des Grundsignals des Drehmomentbefehls und einer Drehgeschwindigkeit des Elektromotors; und
eine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung zum Erzeugen eines Ausgangs einer Soll-Regelstrecke, die als ein Element dient, in dem keine Verzögerung auftritt, um den Ausgang als die Rückführgeschwindigkeit auszugeben, aus dem Grundsignal des Drehmomentbefehls und der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servoregelungsvorrichtung zum Durchführen von Antriebsregelung einer Lastmaschine, bei der Trägheit erheblich schwankt.
Verwandte Technik
Die Geschwindigkeitsregelung einer normalen Servovorrichtung wird durch Rückführen der Drehgeschwindigkeit eines Elektromotors sowie unter Einsatz einer PI-Regelung ausgeführt, und es ist notwendig, die Gesamt-Trägheit mechanischer beweglicher Abschnitte einschließlich eines Rotors des Elektromotors genau zu kennen, um eine gute Regelleistung zu erzielen. Wenn jedoch die Schwankungen der Trägheit einer Lastmaschine oder ein Schätzungsfehler erheblich sind, ändert sich die Leerlaufverstärkung eines Regelungssystems erheblich, und daher werden die Eigenschaften des Regelungssystems stark verändert, wodurch es unter Umständen unmöglich wird, robuste und leistungsfähige Regelung zu erreichen.
Bei einem ersten herkömmlichen Verfahren wird eine Störungs-Überwachungseinrichtung eingesetzt, die bekanntermaßen in der Lage ist, Störung, Parameterschwankung und dergleichen zu unterdrücken (beispielsweise Nicht-Patent-Dokument 1). 3 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration einer Servoregelungsvorrichtung zeigt, bei der das erste herkömmliche Verfahren eingesetzt wird. In diesem Schaltbild kennzeichnet 4 eine Ist-Regelstrecke, die einen Rotor eines Elektromotors und eine Lastmaschine enthält, und eine Übertragungsfunktion von einem Drehmomentbefehl zu der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors ist dargestellt. Des Weiteren kennzeichnet 5 eine Störungs-Überwachungseinrichtung, die ein Soll-Regelstrecken-Umkehrsystem (nominal plant inverse system) 53 und ein erstes Tiefpassfilter 52 enthält. Des Weiteren kennzeichnet 2 einen PI-Regelabschnitt.
Des Weiteren kennzeichnet ω* einen Geschwindigkeitsbefehl, ω_m kennzeichnet eine Elektromotor-Drehgeschwindigkeit, T* kennzeichnet einen Drehmomentbefehl, T₀* kennzeichnet ein Drehmomentbefehl-Grundsignal, T_f kennzeichnet ein Störungskompensations-Drehmoment, J kennzeichnet eine Trägheit der Ist-Regelstrecke, J_n kennzeichnet eine Trägheit der Soll-Regelstrecke und s kennzeichnet einen Laplace-Operator.
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip beschrieben. Der Einfachheit halber wird das erste Tiefpassfilter 52 als ein primäres Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (1) dargestellt wird.
In dieser Gleichung kennzeichnet T₁ eine Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters. Wenn eine Übertragungsfunktion G_o(s, J) eines äquivalenten Regelungsobjektes von dem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* zu der Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m bestimmt werden soll, wird die Übertragungsfunktion durch Gleichung (2) dargestellt.
Des Weiteren wird ein äquivalentes Tiefpassfilter durch die Gleichung (3) dargestellt.
So kann das in 3 gezeigte Regelungssystem wie in 4 gezeigt, umgestaltet werden. Gemäß Gleichung (3) und 4 kann, wenn T₁ auf einen ausreichend kleinen Wert festgelegt wird, der Einfluss des äquivalenten Tiefpassfilters ignoriert werden und daher bleibt, da das äquivalente Regelungsobjekt G_o(s, J) und eine Soll-Regelstrecke P_n(s) im Wesentlichen gleiche Frequenzcharakteristik in einem Niederfrequenzbereich aufweisen, die folgende Charakteristik in Bezug auf einen Befehl selbst dann unverändert, wenn sich die Trägheit ändert.
Bei einem zweiten herkömmlichen Verfahren wird eine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung zum Kompensieren der Phasenverzögerung eines Verzögerungselementes eingesetzt, die durch den Anmelder der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen worden ist (siehe beispielsweise Patentdokument 1). 5 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration einer Servoregelvorrichtung zeigt, bei der das zweite herkömmliche Verfahren eingesetzt wird. In diesem Schaltbild kennzeichnet 9 ein Ist-Regelungsobjekt, das ein Ist-Tiefpassfilter 3 und eine Ist-Regelstrecke 4 enthält, und 6 kennzeichnet eine Phasenvoreilkompensations-Überwachungseinrichtung, die ein Überwachungseinrichtungs-Regelungsobjekt 60, das aus einer Soll-Regelstrecke 61 und einem zweiten Tiefpassfilter 62 besteht, und eine Überwachungseinrichtungs-Kompensationseinrichtung 63 enthält. Des Weiteren sind Elemente, die den in 3 gezeigten entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und ihre Beschreibung wird weggelassen.
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip beschrieben. In dem Ist-Regelungsobjekt wird ein Ausgang des Ist-Tiefpassfilters 3 in die Ist-Regelstrecke 4 eingegeben, und in dem Überwachungseinrichtungs-Regelungsobjekt 30 wird ein Ausgang der Soll-Regelstrecke in das zweite Tiefpassfilter 62 eingegeben. So dient, wenn L₂(s) = L(s) und J_n = J erfüllt sind, ω_o, das ein Ausgang des zweiten Tiefpassfilters 62 ist, als eine Schätzgeschwindigkeit einer Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m und daher dient eine Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p, die ein Eingang des zweiten Tiefpassfilters 62 ist, als eine Phasenvoreilung, die ein Phasenmaß hat, das durch das zweite Tiefpassfilter in Bezug auf die Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m verzögert ist. Dementsprechend wird, wenn die Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p als eine Rückführgeschwindigkeit ω_f definiert ist, das Problem der Leistungsregelungs-Verschlechterung beseitigt, das durch die Phasenverzögerung des Ist-Tiefpassfilters 3 verursacht wird, wenn keine Phasenvoreilungs-Kompensations-Überwachungseinrichtung vorhanden ist.

Nicht-Patent-Dokument 1: T. IEE Japan, Vol. 117-C, Nr. 12, 1997, S. 1776–1781
Patentdokument 1: JP-A-2002-182705

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Bei dem ersten herkömmlichen Verfahren ist jedoch, da die überwachte Elektromotor-Drehgeschwindigkeit über das Soll-Regelstrecken-Umkehrsystem zu dem Drehmomentbefehl zurückgeführt wird, der Einfluss eines gemessenen Rauschens verglichen mit dem Fall, in dem eine normale PI-Regelung eingesetzt wird, erheblich. Insbesondere ist der Einfluss dann erheblich, wenn die Trägheit der Lastmaschine gering ist. Um die Filtercharakteristik in Bezug auf das gemessene Rauschen zu verbessern, d. h. um die Rauschunterdrückungscharakteristik zu verbessern, ist es notwendig, die Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters in einem Fall, in dem die Trägheit der Lastmaschine gering ist, auf einen großen Wert einzustellen. Wenn hingegen die Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters entsprechend dem Fall eingestellt wird, in dem die Trägheit der Lastmaschine gering ist, existiert ein Verzögerungselement mit einer großen Phasenverzögerung in einem Regelungssys tem, wenn die Trägheit der Lastmaschine zunimmt, so dass die Verstärkung einer PI-Regelungseinrichtung nicht erhöht werden kann und die Regelungscharakteristik nicht verbessert werden kann. Dementsprechend ist dahingehend ein Nachteil aufgetreten, dass es nicht möglich ist, sowohl die robuste Charakteristik als auch die Rauschunterdrückungscharakteristik zu erzielen.
Des Weiteren kann bei dem zweiten herkömmlichen Verfahren die Phasenverzögerung in einem Regelungssystem unter der Voraussetzung kompensiert werden, dass das Überwachungseinrichtungs-Regelungsobjekt und das Ist-Regelungsobjekt im Wesentlichen gleiche Frequenzcharakteristik in einem Niederfrequenzbereich haben. Wenn die Trägheit der Lastmaschine erheblich schwankt, kann die Trägheit der Soll-Regelstrecke erheblich von der Ist-Regelstrecke abweichen, und in diesem Fall ist, da die Schätzgeschwindigkeit der Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung erheblich von der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors abweicht, dahingehend ein Problem aufgetreten, dass sich die Eingabe-Ausgabe-Charakteristik verschlechtert.
Daher ist die vorliegende Erfindung in Anbetracht dieser Probleme gemacht worden, und ihre Aufgabe besteht darin, eine Servoregelungsvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, den Einfluss eines Rauschens in einem zulässigen Bereich zu halten, nachteilige Auswirkungen von Störung, Lastschwankung und dergleichen zu unterdrücken und robuste sowie leistungsfähige Geschwindigkeitsregelung durch Kombinieren einer Störungs-Überwachungseinrichtung mit einer Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung zu realisieren.
Lösung der Probleme
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung eine Servoregelungsvorrichtung, die es ermöglicht, dass eine Elektromotor-Drehgeschwindigkeit einem Geschwindigkeitsbefehl folgt, wobei eine Störungs-Überwachungseinrichtung und eine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung in ein normales PI-Regelungssystem integriert werden, die Zeitkonstante eines Tiefpassfilters der Störungs-Überwachungseinrichtung so eingestellt wird, dass die Rauschbeseitigungscharakteristik erfüllt wird, wenn eine Trägheit der Ist-Regelstrecke minimiert wird, die Zeitkonstante eines Tiefpassfilters der Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung als ein Wert bestimmt wird, der ermittelt wird, indem die Zeitkonstante des Tiefpassfilters der Störungs-Überwachungseinrichtung mit dem Verhältnis zwischen dem Maximalwert der Trägheit der Ist-Regelstrecke und einer Trägheit der Soll-Regelstrecke multipliziert wird, und eine Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit, die als eine Phasenvoreilung dient, die genauso groß ist wie oder größer als ein Phasenmaß, das durch ein äquivalentes Tiefpassfilter in Bezug auf die Elektromotor-Drehgeschwindigkeit verzögert wird, als eine Rückführgeschwindigkeit definiert wird.
Effekte der Erfindung
Bei der vorliegenden Erfindung werden nachteilige Auswirkungen von Störung, Lastschwankung und dergleichen unter Einsatz einer Störungs-Überwachungseinrichtung unterdrückt, und eine Phasenverzögerung in einem Regelungssystem wird kompensiert, indem eine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung integriert wird, wodurch es möglich wird, robuste und leistungsfähige Geschwindigkeitsregelung zu realisieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild einer Servoregelungsvorrichtung, das eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockschaltbild einer Servoregelungsvorrichtung, das eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration einer Servoregelungsvorrichtung zeigt, bei der ein erstes herkömmliches Verfahren eingesetzt wird.
4 ist ein zu 3 äquivalentes Blockschaltbild.
5 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration einer Servoregelungsvorrichtung zeigt, bei der ein zweites herkömmliches Verfahren eingesetzt wird.
6 ist ein Blockschaltbild, das äquivalent zu 1, 2 und 10 bis 12 ist.
7 ist ein Diagramm, das Simulationsergebnisse zeigt, die mit einer Servoregelungsvorrichtung erreicht werden, bei der eine normale PI-Regelung eingesetzt wird.
8 ist ein Diagramm, das Simulationsergebnisse zeigt, die mit einer Servoregelungsvorrichtung erreicht werden, bei der das erste herkömmliche Verfahren eingesetzt wird.
9 ist ein Diagramm, das Simulationsergebnisse zeigt, die mit einer Servoregelungsvorrichtung erreicht werden, bei der das Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
10 ist ein Blockschaltbild einer Servoregelungsvorrichtung, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist ein Blockschaltbild einer Servoregelungsvorrichtung, die eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist ein Blockschaltbild einer Servoregelungsvorrichtung, die eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
1 ist ein Blockschaltbild einer Servoregelungsvorrichtung, das eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei jeweilige Elemente, die den in 3 und 5 gezeigten entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, und ihre Beschreibung weggelassen wird. Des Weiteren kennzeichnet J_m einen Minimalwert einer Trägheit der Ist-Regelstrecke, J und J_M kennzeichnet einen Maximalwert derselben. Die vorliegende Erfindung wird geschaffen, indem das erste herkömmliche Verfahren erfindungsgemäß mit dem zweiten herkömmlichen Verfahren kombiniert wird.
Im Folgenden werden das Funktionsprinzip sowie das Konfigurierungsverfahren der Regelungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wenn eine Übertragungsfunktion G_o(s, J) eines äquivalenten Regelungsobjektes 8 von einem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* zu einer Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m ähnlich wie bei der Beschreibung des oben erwähnten ersten herkömmlichen Verfahrens bestimmt wird, kann das in 1 gezeigte Regelungssystem wie in 6 gezeigt, umgestaltet werden. In diesem Fall ist die Trägheit des äquivalenten Regelungsobjektes 8 eine Soll-Trägheit J_n geworden, die einen konstanten Wert hat. Obwohl die Zeitkonstante eines äquivalenten Tiefpassfilters L₀(s, J) entsprechend der Ist-Regelstrecken-Trägheit J geändert wird, wie dies in Gleichung (3) gezeigt wird, haben ein Überwachungseinrichtungs-Regelungsobjekt G_n(s) und das äquivalente Regelungsobjekt G_o(s, J) im Wesentlichen gleiche Frequenzcharakteristik in einem Niederfrequenzbereich.
Wenn die Trägheit J der Ist-Regelstrecke den Minimalwert J_m erreicht hat, ist, wenn J_n > J_m, das äquivalente Tiefpassfilter L₀(s, J) gemäß Gleichung (3) und 6 ein serielles Phasenvoreilungselement geworden, und daher ist es wahrscheinlich, dass Hochfrequenz-Oszillation auftritt. Um dem zu begegnen, wird die Soll-Trägheit J_n wie folgt definiert: Jn ≤ Jm (4)
Des Weiteren wird, da der Einfluss des gemessenen Rauschens zu diesem Zeitpunkt am größten ist, die Zeitkonstante eines ersten Tiefpassfilters L₁(s) auf den kleinstmöglichen Wert festgelegt, so dass die Rauschbeseitigungscharakteristik erfüllt ist.
Wenn die Trägheit J der Ist-Regelstrecke den Maximalwert J_M erreicht hat, wird das äquivalente Tiefpassfilter durch Gleichung (5) dargestellt.
In diesem Fall wird, da die Phasenverzögerung des äquivalenten Tiefpassfilters am größten ist, ein zweites Tiefpassfilter L₂(s) durch Gleichung (6) dargestellt.
Dementsprechend ist in Bezug auf alle Trägheiten J der Ist-Regelstrecke die Phasenverzögerung von L_o(s, J) kleiner als die von L₂(s), und daher dient eine Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p, die ein Eingang von L₂(s) ist, als eine Phasenvoreilung, die genauso groß ist wie oder größer als ein Phasenmaß, dass um L₂(s, J) in Bezug auf die Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m verzögert ist. Des Weiteren wird, da die Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p als eine Rückführgeschwindigkeit ω_f definiert wird, das Problem von Oszillation oder Instabilität beseitigt, das durch die Phasenverzögerung von L₀(s, J) verursacht wird, wenn keine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung vorhanden ist.
Des Weiteren kann, wenn J_M >> J_n erfüllt ist, L₂(s) als ein primäres Tiefpassfilter definiert sein, das durch Gleichung (7) dargestellt wird.
Es ist anzumerken, dass die folgenden Gleichung gilt
So wird unter Einsatz einer Störungs-Überwachungseinrichtung ein Ist-Regelungsobjekt G(s) von der Ist-Regelstrecke P(s), bei der die Trägheit schwankt, umgewandelt in eine Soll-Regelstrecke P_n(s), bei der die Trägheit äquivalent konstant ist, und das äquivalente Tiefpassfilter L₀(s, J), dessen Zeitkonstante durch die Ist-Regelstrecken-Trägheit verändert wird, sowie die Phasenverzögerung des äquivalenten Tiefpassfilters werden unter Einsatz einer Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung kompensiert, wodurch es möglich wird, robuste und leistungsfähige Geschwindigkeitsregelung auch dann zu realisieren, wenn die Ist-Regelstrecken-Trägheit erheblich geändert wird.
Ausführungsform 2
2 ist ein Blockschaltbild einer Servoregelungsvorrichtung, das eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass das erste Tiefpassfilter 52, das in Kontakt mit einem Ausgang eines Subtrahierers 51 ist, so umpositioniert ist, dass es in Kontakt mit einem Ausgang eines Addierers 54 ist.
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip beschrieben.
Wenn die Übertragungsfunktion des äquivalenten Regelungsobjektes G_o(s, J) von dem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* zu der Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m bestimmt werden soll, wird die Übertragungsfunktion durch Gleichung (9) bestimmt
Des Weiteren wird das äquivalente Tiefpassfilter 7 durch Gleichung (10) dargestellt.
Es ist anzumerken, dass die folgenden Gleichung die Zeitkonstante des äquivalenten Tiefpassfilters 7 darstellt: T0 = (J/Jn)T1 (11)
So kann das in 2 gezeigte Regelungssystem ähnlich wie Ausführungsform 2 wie in 6 gezeigt umgestaltet werden.
L₂(s) ist als ein primäres Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (12) dargestellt ist.
Es ist anzumerken, dass die folgenden Gleichung gilt: T2 = (JM/Jn)T0 (13)
Dementsprechend ist in Bezug auf alle Trägheiten J der Ist-Regelstrecke die Phasenverzögerung von L₀(s, J) kleiner als die von L₂(s) und daher dient die Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p, die ein Eingang von L₂(s) ist, als eine Phasenvoreilung, die genauso groß ist wie oder größer als ein Phasenmaß, das um L₂(s, J) in Bezug auf die Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m verzögert ist. Des Weiteren wird, da die Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p als die Rückführgeschwindigkeit ω_f definiert ist, das Problem von Oszillation oder Instabilität beseitigt, das durch die Phasenverzögerung von L₂(s, J) verursacht wird, wenn keine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung vorhanden ist.
So kann, obwohl die Phasenverzögerung des äquivalenten Tiefpassfilters verglichen mit der ersten Ausführungsform geringfügig vergrößert wird, eine Rauschkomponente, die von einer PI-Regelungseinrichtung 2 stammt, beseitigt werden.
Ausführungsform 3
10 ist ein Blockschaltbild einer Servoregelungsvorrichtung, das eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass das erste Tiefpassfilter 52, das in Kontakt mit dem Ausgang des Subtrahierers 51 ist, so umpositioniert ist, dass es zwischen einem Drehmomentbefehl T* und dem Subtrahierer 51 angeordnet ist, und dass ein drittes Tiefpassfilter 55 zwischen einem Soll-Regelstrecken-Umkehrsystem 53 und dem Subtrahierer 51 hinzugefügt wird.
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip beschrieben.
Das erste Tiefpassfilter 52 ist als ein primäres Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (1) dargestellt wird, und das dritte Tiefpassfilter 55 ist als ein primäres Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (14) dargestellt wird.
In dieser Gleichung kennzeichnet T₃ die Zeitkonstante des dritten Tiefpassfilters.
Wenn die Übertragungsfunktion des äquivalenten Regelungsobjektes G_o(s, J) von dem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* zu der Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m bestimmt werden soll, wird die Übertragungsfunktion durch Gleichung (15) dargestellt.
Des Weiteren wird das äquivalente Tiefpassfilter 7 durch Gleichung (16) dargestellt.
Daher kann das in 10 gezeigte Regelungssystem ähnlich wie Ausführungsform 1 wie in 6 gezeigt umgestaltet werden.
Des Weiteren ist L₂(s) als ein Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (17) dargestellt wird.
Dementsprechend ist in Bezug auf alle Trägheiten J der Ist-Regelstrecke die Phasenverzögerung von L₀(s, J) kleiner als die von L₂(s) und daher dient die Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p, die ein Eingang von L₂(s) ist, als eine Phasenvoreilung, die genauso groß ist wie oder größer als ein Phasenmaß, das um L₀(s, J) in Bezug auf die Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m verzögert ist. Des Weiteren wird, da die Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p als die Rückführgeschwindigkeit ω_f definiert ist, das Problem von Oszillation oder Instabilität beseitigt, das durch die Phasenverzögerung von L₀(s, J) verursacht wird, wenn keine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung vorhanden ist.
Des Weiteren kann, wenn J_M >> J_n erfüllt ist, L₂(s) als primäres Tiefpassfilter definiert sein, das durch Gleichung (18) dargestellt ist.
Es ist anzumerken, dass die folgende Gleichung gilt: T2 = (JM/Jn)T1 (19)
Gemäß Gleichung (17), Gleichung (18) und Gleichung (19) hat der Parameter des ersten Tiefpassfilters 52 einen großen Einfluss auf die Robustheit des Regelungssystems, während der Parameter des dritten Tiefpassfilters 55 keinen starken Einfluss auf die Robustheit des Regelungssystems hat. Eine Rauschkomponente, die in der erfassten Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m enthalten ist, wird jedoch durch das Soll-Regelstreckensystem 53 verstärkt und zu dem Drehmomentbefehl über das dritte Tiefpassfilter 55 hinzugefügt, und daher beeinflusst die Parametereinstellung des dritten Tiefpassfilters 55 die Störungsbeseitigungscharakteristik des Regelungssystems erheblich.
Wenn das erste Tiefpassfilter 52 und das dritte Tiefpassfilter 55 einander gleichen, sind die in 10 gezeigte vorliegende Ausführungsform sowie die in 1 gezeigte erste Ausführungsform vollständig äquivalent zueinander. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden jedoch, obwohl das Regelungssystem verglichen mit der ersten Ausführungsform etwas kompliziert ist, der Parameter des ersten Tiefpassfilters 52 und der Parameter des dritten Tiefpassfilters 55 separat festgelegt, so dass es möglich ist, sowohl eine stärkere Robustheit als auch eine vorteilhaftere Rauschbeseitigungscharakteristik zu erzielen.
Des Weiteren kann in 10 das dritte Tiefpassfilter 55 so verschoben werden, dass es sich vor der Ist-Regelstrecke 4 befindet. So kann, obwohl die Phasenverzögerung für den gesamten Kreis geringfügig vergrößert wird, der Effekt des Beseitigens der Rauschkomponente, die von dem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* stammt, verbessert werden.
Ausführungsform 4
11 ist ein Blockschaltbild einer Servoregelungsvorrichtung, das eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass das dritte Tiefpassfilter 55 zwischen dem Soll-Regelstrecken-Umkehrsystem 53 und dem Subtrahierer 51 hinzugefügt wird.
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip beschrieben.
Das erste Tiefpassfilter 52 ist als ein primäres Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (1) dargestellt wird, und das dritte Tiefpassfilter 55 ist als ein primäres Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (20) dargestellt wird.
In dieser Gleichung kennzeichnet T₃ die Zeitkonstante des dritten Tiefpassfilters.
Wenn die Übertragungsfunktion des äquivalenten Regelungsobjektes G_o(s, J) von dem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* zu der Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m bestimmt werden soll, wird die Übertragungsfunktion durch Gleichung (21) dargestellt.
Des Weiteren wird das äquivalente Tiefpassfilter 7 durch Gleichung (22) dargestellt.
So kann das in 11 gezeigte Regelungssystem ähnlich wie Ausführungsform 1 wie in 6 gezeigt umgestaltet werden. Des Weiteren ist L₂(s) als ein Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (23) dargestellt wird.
Dementsprechend ist in Bezug auf alle Trägheiten J der Ist-Regelstrecke die Phasenverzögerung von L₀(s, J) kleiner als die von L₂(s) und daher dient die Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p, die ein Eingang von L₂(s) ist, als eine Phasenvoreilung, die genauso groß ist wie oder größer als ein Phasenmaß, das um L₀(s, J) in Bezug auf die Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m verzögert ist. Des Weiteren wird, da die Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p als die Rückführgeschwindigkeit ω_f definiert ist, das Problem von Oszillation oder Instabilität beseitigt, das durch die Phasenverzögerung von L₀(s, J) verur sacht wird, wenn keine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung vorhanden ist.
Des Weiteren kann, wenn J_M >> J_n erfüllt ist, L₂(s) als ein primäres Tiefpassfilter definiert sein, das durch Gleichung (24) dargestellt ist.
Es ist anzumerken, dass die folgende Gleichung gilt: T2 = JM/Jn)T1 (25)
Gemäß Gleichung (23), Gleichung (24) und Gleichung (25) hat der Parameter des ersten Tiefpassfilters 52 einen erheblichen Einfluss auf die Robustheit des Regelungssystems, während der Parameter des dritten Tiefpassfilters 55 keinen starken Einfluss auf die Robustheit des Regelungssystems hat. Andererseits wird eine Rauschkomponente, die in der erfassten Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m enthalten ist, durch das Soll-Regelstreckensystem 53 verstärkt und zu dem Drehmomentbefehl über das dritte Tiefpassfilter 55 und das erste Tiefpassfilter 52 hinzugefügt, und daher beeinflussen die Parameter sowohl des dritten Tiefpassfilters 55 als auch des ersten Tiefpassfilters 52 die Störungsbeseitigungscharakteristik des Regelungssystems. Daher kann die Robustheit des Regelungssystems verbessert werden, indem der Parameter des ersten Tiefpassfilters 52 entsprechend eingestellt wird, und die Störungsbeseitigungscharakteristik des Regelungssystems kann verbessert werden, indem der Parameter des dritten Tiefpassfilters 55 entsprechend eingestellt wird.
So kann, obwohl das Regelungssystem verglichen mit der ersten Ausführungsform etwas kompliziert ist, die Rauschbeseitigungscharakteristik berücksichtigt werden, um keinen starken Einfluss auf die Robustheit auszuüben, und damit kann die Regelcharakteristik weiter verbessert werden.
Des Weiteren kann in 11 das dritte Tiefpassfilter 55 so verschoben werden, dass es sich vor der Ist-Regelstrecke 4 befindet. So kann, obwohl die Phasenverzögerung für den gesamten Kreis geringfügig vergrößert wird, der Effekt des Beseitigens der Rauschkomponente, die von dem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* stammt, verbessert werden.
Ausführungsform 5
12 ist ein Blockschaltbild einer Servoregelungsvorrichtung, das eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass das dritte Tiefpassfilter 55 zwischen dem Soll-Regelstrecken-Umkehrsystem 53 und dem Subtrahierer 51 hinzugefügt ist.
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip beschrieben.
Das erste Tiefpassfilter 52 ist als ein primäres Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (1) dargestellt wird, und das dritte Tiefpassfilter 55 ist als ein primäres Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (26) dargestellt wird.
In dieser Gleichung kennzeichnet T₃ die Zeitkonstante des dritten Tiefpassfilters.
Wenn die Übertragungsfunktion des äquivalenten Regelungsobjektes G_o(s, J) von dem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* zu der Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m bestimmt werden soll, wird die Übertragungsfunktion durch Gleichung (27) dargestellt.
Des Weiteren wird das äquivalente Tiefpassfilter 7 durch Gleichung (28) dargestellt.
Daher kann das in 12 gezeigte Regelungssystem ähnlich wie Ausführungsform 2 wie in 6 gezeigt umgestaltet werden.
Des Weiteren ist L₂(s) als ein Tiefpassfilter definiert, das durch Gleichung (29) dargestellt wird.
Dementsprechend ist in Bezug auf alle Trägheiten J der Ist-Regelstrecke die Phasenverzögerung von L₀(s, J) kleiner als die von L₂(s), und daher dient die Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p, die ein Eingang von L₂(s) ist, als eine Phasenvoreilung, die genauso groß ist wie oder größer als ein Phasenmaß, das um L₀(s, J) in Bezug auf die Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m verzögert ist. Des Weiteren wird, da die Phasenvoreilungs-Schätzgeschwindigkeit ω_p als die Rückführgeschwindigkeit ω_f definiert ist, das Problem von Oszillation oder Instabilität beseitigt, das durch die Phasenverzögerung von L₀(s, J) verursacht wird, wenn keine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung vorhanden ist.
Des Weiteren kann, wenn J_M >> J_n erfüllt ist, L₂(s) als primäres Tiefpassfilter definiert sein, das durch Gleichung (30) dargestellt ist.
Es ist anzumerken, dass die folgende Gleichung gilt: T2 = JM/Jn)T1 (31)
Gemäß Gleichung (29), Gleichung (30) und Gleichung (31) hat der Parameter des ersten Tiefpassfilters 52 einen erheblichen Einfluss auf die Robustheit des Regelungssystems, während der Parameter des dritten Tiefpassfilters 55 keinen starken Einfluss auf die Robustheit des Regelungssystems hat. Hingegen wird eine Rauschkomponente, die in der erfassten Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m enthalten ist, durch das Soll-Regelstreckensystem 53 verstärkt und über das dritte Tiefpassfilter 55 und das erste Tiefpassfilter 52 zu dem Drehmomentbefehl hinzugefügt, und daher beeinflussen die Parameter sowohl des dritten Tiefpassfilters 55 als auch des ersten Tiefpassfilters 52 die Störungsbeseitigungscharakteristik des Regelungssystems. So kann die Robustheit des Regelungssystems verbessert werden, indem der Parameter des ersten Tiefpassfilters 52 entsprechend eingestellt wird, und die Störungsbeseitigungscharakteristik des Regelungssystems kann verbessert werden, indem der Parameter des dritten Tiefpassfilters 55 entsprechend eingestellt wird.
So kann, obwohl das Regelungssystem verglichen mit der zweiten Ausführungsform etwas kompliziert ist, die Rauschbeseitigungscharakteristik berücksichtigt werden, um keinen starken Einfluss auf die Robustheit auszuüben, und damit kann die Regelungscharakteristik weiter verbessert werden.
Des Weiteren kann das dritte Tiefpassfilter 55 in 12 so verschoben werden, dass es sich vor der Ist-Regelstrecke 4 befindet. So kann, obwohl die Phasenverzögerung für den gesamten Kreis geringfügig vergrößert wird, der Effekt des Beseitigens der Rauschkomponente, die von dem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* stammt, verbessert werden.
Im Folgenden werden Effekte der vorliegenden Erfindung unter Verwendung spezifischer Beispiele beschrieben. 7, 8 und 9 zeigen Simulationsergebnisse, die beim Einsatz einer normalen PI-Regelung, des ersten herkömmlichen Verfahrens und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung für die Ist-Regelstrecke erzielt wurden, bei der eine zwanzigfache Schwankung der Trägheit auftritt. Es ist zu sehen, dass beim Einsatz des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, selbst wenn die Trägheit erheblich schwankt, nur geringfügiges Überschwingen auftritt und die Einschwingzeit kurz ist, d. h., dass die Hochleistungs-Folgecharakteristik in Bezug auf einen Befehl praktisch unverändert gegenüber den Fällen bleibt, bei denen die normale PI-Regelung und das erste herkömmliche Verfahren eingesetzt werden.
Industrielle Einsetzbarkeit
Ein normales PI-Regelungssystem wird mit einer Störungs-Überwachungseinrichtung, die ein Soll-Regelstrecken-Umkehrsystem enthält, sowie mit einer Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung kombiniert, die eine Soll-Regelstrecke enthält, um die Parameterschwankung einer Ist-Regelstrecke zu kompensieren, wodurch es möglich wird, robuste und leistungsfähige Regelung zu realisieren, und so kann die vorliegende Erfindung auch zum robusten und leistungsfähigen Folgen eines Befehls für ein System eingesetzt werden, in dem zusätzlich zu einer Servoeinrichtung jede beliebige Soll-Regelstrecke als ein nicht minimales Phasensystem dargestellt wird und ein Parameter erheblich schwankt.
Zusammenfassung
SERVOREGELVORRICHTUNG
Die vorliegende Erfindung schafft eine Servoregelungsvorrichtung, die in der Lage ist, nachteilige Auswirkungen von Störung, Lastschwankung und dergleichen zu unterdrücken und robuste und leistungsfähige Geschwindigkeitsregelung zu realisieren.
Die Vorrichtung enthält beide der folgenden Überwachungseinrichtungen:
eine Störungs-Überwachungseinrichtung (5), mit der ein Störungskompensations-Drehmoment T_f, das aus einem Drehmomentbefehl T* und einer Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m berechnet wird, zu einem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* addiert wird, das auf Basis einer Abweichung zwischen einem Geschwindigkeitbefehl ω* und einer Rückführgeschwindigkeit ω_f durch einen PI-Regelungsabschnitt (2) berechnet wird, um so den Drehmomentbefehl T* auszugeben; und
eine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung (6), mit der aus dem Drehmomentbefehl-Grundsignal T₀* und der Elektromotor-Drehgeschwindigkeit ω_m ein Ausgang einer Soll-Regelstrecke (61) erzeugt wird, die als ein Element dient, in dem keine Verzögerung auftritt, um so den Ausgang als die Rückführgeschwindigkeit ω_f auszugeben.

1, 51, 64, 65: Subtrahierer
2: PI-Regelungsabschnitt
3: Ist-Tiefpassfilter
4: Ist-Regelstrecke
5: Störungs-Überwachungseinrichtung
51: erstes Tiefpassfilter
53: Soll-Regelstrecken-Umkehrsystem
54: Addierer
55: drittes Tiefpassfilter
6: Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung
60: Überwachungseinrichtungs-Regelungsobjekt
61: Soll-Regelstrecke
62: zweites Tiefpassfilter
63: Überwachungseinrichtungs-Kompensationseinrichtung
7: äquivalentes Tiefpassfilter
8: äquivalentes Regelungsobjekt
9: Ist-Regelungsobjekt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2002-182705 A [0010]

Claims

Servoregelungsvorrichtung zum Durchführen von Antriebsregelung eines Elektromotors und einer Lastmaschine auf Basis eines Drehmomentbefehls, wobei sie umfasst: einen PI-Regelungsabschnitt zum Berechnen eines Grundsignals des Drehmomentbefehls auf Basis einer Abweichung zwischen einem Geschwindigkeitsbefehl und einer Rückführgeschwindigkeit; eine Störungs-Überwachungseinrichtung zum Ausgeben des Drehmomentbefehls auf Basis des Grundsignals des Drehmomentbefehls und einer Drehgeschwindigkeit des Elektromotors; und eine Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung zum Erzeugen eines Ausgangs einer Soll-Regelstrecke, die als ein Element dient, in dem keine Verzögerung auftritt, um den Ausgang als die Rückführgeschwindigkeit auszugeben, aus dem Grundsignal des Drehmomentbefehls und der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors.
Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Störungs-Überwachungseinrichtung die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors in ein Umkehrsystem der Soll-Regelstrecke eingibt, als ein Störungs-Schätzsignal einen Wert bestimmt, der ermittelt wird, indem ein Ausgang des Umkehrsystems der Soll-Regelstrecke von dem Drehmomentbefehl subtrahiert wird, das Störungs-Schätzsignal in ein erstes Tiefpassfilter eingibt und einen Ausgang des ersten Tiefpassfilters zu dem Grundsignal des Drehmomentbefehls addiert, um den Drehmomentbefehl zu ermitteln.
Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Störungs-Überwachungseinrichtung die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors in ein Umkehrsystem der Soll-Regelstrecke eingibt, als ein Störungs-Schätzsignal einen Wert bestimmt, der ermittelt wird, indem ein Ausgang des Umkehrsystems der Soll-Regelstrecke von dem Drehmomentbefehl subtrahiert wird, und das Störungs-Schätzsignal zu dem Grundsignal des Drehmomentbefehls addiert und in ein erstes Tiefpassfilter eingibt, um einen Ausgang des ersten Tiefpassfilters als den Drehmomentbefehl zu ermitteln.
Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Störungs-Überwachungseinrichtung den Drehmomentbefehl in ein erstes Tiefpassfilter eingibt, die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors in ein Umkehrsystem der Soll-Regelstrecke eingibt, einen Ausgang des Umkehrsystems der Soll-Regelstrecke in ein drittes Tiefpassfilter eingibt, als ein Störungs-Schätzsignal einen Wert bestimmt, der ermittelt wird, indem ein Ausgang des dritten Tiefpassfilters von einem Ausgang des ersten Tiefpassfilters subtrahiert wird, und das Störungs-Schätzsignal zu dem Grundsignal des Drehmomentbefehls addiert, um den Drehmomentbefehl zu ermitteln.
Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Störungs-Überwachungseinrichtung die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors in ein Umkehrsystem der Soll-Regelstrecke eingibt, einen Ausgang des Umkehrsystems der Soll-Regelstrecke in ein drittes Tiefpassfilter eingibt, als ein Störungs-Schätzsignal einen Wert bestimmt, der ermittelt wird, indem ein Ausgang des dritten Tiefpassfilters von dem Drehmomentbefehl subtrahiert wird, das Störungs-Schätzsignal in ein erstes Tiefpassfilter eingibt und einen Ausgang des ersten Tiefpassfilters zu dem Grundsignal des Drehmomentbefehls addiert, um den Drehmomentbefehl zu ermitteln.
Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Störungs-Überwachungseinrichtung die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors in ein Umkehrsystem der Soll-Regelstrecke eingibt, einen Ausgang des Umkehrsystems der Soll-Regelstrecke in ein drittes Tiefpassfilter eingibt, als ein Störungs-Schätzsignal einen Wert bestimmt, der ermittelt wird, indem ein Ausgang des dritten Tiefpassfilters von dem Drehmomentbefehl subtrahiert wird, das Störungs-Schätzsignal zu dem Grundsignal des Drehmomentbefehls addiert und in ein erstes Tiefpassfilter eingibt, um einen Ausgang des ersten Tiefpassfilters als den Drehmomentbefehl zu ermitteln.
Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Phasenvoreilungskompensations-Überwachungseinrichtung eine Abweichung zwischen der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors und einem Ausgang eines zweiten Tiefpassfilters in eine Überwachungseinrichtungs-Kompensationseinrichtung eingibt, ein Signal, das ermittelt wird, indem ein Ausgang der Überwachungseinrichtungs-Kompensationseinrichtung zu dem Grundsignal des Drehmomentbefehls addiert wird, in die Soll-Regelstrecke eingibt und einen Ausgang der Soll-Regelstrecke als das Rückführsignal ausgibt, während der Ausgang der Soll-Regelstrecke in das zweite Tiefpassfilter eingegeben wird.
Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters auf einen Minimalwert festgelegt wird, wenn Stabilität und Rauschbeseitigungscharakteristik erfüllt sind, wenn Trägheit einer Ist-Regelstrecke, die einen Rotor des Elektromotors und die Lastmaschine einschließt, auf ein Minimum verringert wird.
Servoregelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei eine Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters und eine Zeitkonstante des dritten Tiefpassfilters auf einen Minimalwert festgelegt werden, wenn Stabilität und Rauschbeseitigungscharakteristik erfüllt sind, wenn Trägheit einer Ist-Regelstrecke, die einen Rotor des Elektromotors und die Lastmaschine einschließt, auf ein Minimum verringert ist.
Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine Zeitkonstante des zweiten Tiefpassfilters als ein Wert bestimmt wird, der ermittelt wird, indem eine Zeitkonstante des ersten Tiefpassfilters mit einem Verhältnis zwischen einem Maximalwert von Trägheit einer Ist-Regelstrecke, die einen Rotor des Elektromotors und die Lastmaschine einschließt, und Trägheit der Soll-Regelstrecke multipliziert wird.
Servoregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trägheit der Soll-Regelstrecke auf einen Wert festgelegt wird, der genauso groß ist wie oder kleiner als ein Minimalwert der Trägheit der Ist-Regelstrecke.